CH665255A5 - Waermeisolationsfenster. - Google Patents
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Description
BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft ein Wärmeisolationsfenster, dessen Flächen-k-Wert im vom Rand ungestörten Bereich höchstens
0,8 W/m2K beträgt, mit mindestens zwei Deckscheiben, die durch mindestens einen längs des Randes umlaufenden Abstandshalter im Abstand voneinander gehalten und von einem äusseren Rahmen umschlossen sind.
In den letzten Jahren ist es - beispielsweise durch selektiv reflektierende Beschichtung der Glasoberflächen und/oder durch Füllung des Scheibenzwischenraumes mit einem schlecht wärmeleitenden Gas, z.B. Argon, - gelungen, die Wärmedurchgangszahlen, d.h. den Flächen-k-Wert, von Wärmeisolationsfenstern im vom Rand ungestörten Bereich wesentlich zu verringern. Dieser Verbesserung auf der Glasseite stehen jedoch praktisch unveränderte Konstruktionen bei der Glasrandverschiebung und bei den Fensterrahmen gegenüber.
Weiterhin hat die Reduktion des Flächen-k-Wertes eine Vergrösserung der Temperaturdifferenz zwischen äusserer und innerer Deckscheibe zur Folge. Dies bewirkt, dass Wärme wegen des höheren Temperaturgefälles vermehrt durch die Glasrandverbindung und den Fensterrahmen geleitet wird, wobei die angrenzenden Glasflächen innen und aussen infolge der Querleitung im Glas als Wärmeaustauscherflächen wirken.
Eingehende Untersuchungen von Gesamtsystemen aus Glas, Glasrandverbindung und Rahmen haben somit ergeben, dass die Wirkung der Randzone bei verbesserten Flächen-k-Werten von ausschlaggebender Bedeutung für den Wärmewiderstand des Gesamtsystems wird ; denn der relativ schlechte k-Wert am Rand wirkt sich infolge der erwähnten Querleitung vom Rand in die Glasflächen hinein in einem grösseren Bereich aus. Zum Beispiel bewirkt das bei bisherigen Wärmeisolationsfenstern übliche metallische Abstandshalter-Profil eine periphere kalte Zone am inneren Glasrand von bis zu 8 cm Breite.
Um einen optimalen Gesamt-k-Wert zu erhalten, muss daher das Gesamtsystem Rahmen- Glasrandverbindung Glasfläche so aufeinander abgestimmt werden, dass überall weitgehend derselbe k-Wert oder Wärmewiderstand vorhanden ist. Aufgabe der Erfindung ist es, diese Forderung zu erfüllen. Mit den heute zur Verfügung stehenden Werkstoffen lässt sich diese Aufgabe nur mit Hilfe einer ganzen Reihe von Massnahmen sinnvoll und wirtschaftlich tragbar erreichen ; die erfindungsgemässe Kombination von an sich bekannten Merkmalen besteht daher in:
a) Die lichte Weite des Innenraums zwischen den Deckscheiben beträgt mindestens 50 mm;
b) zwischen den Deckscheiben und im Abstand von ihnen ist mindestens eine durchsichtige Zwischenwand angeordnet;
c) mindestens eine der Scheiben- oder Zwischenwand-Oberflächen des Innenraums ist mit einer selektiven reflektierenden Beschichtung versehen;
d) der Abstandshalter besteht aus einem nichtmetallischen Material und ist luftdurchlässig ausgebildet;
e) der Rahmen besteht aus zwei getrennten seitlichen Rahmenteilen aus Metall, die über mindestens einen thermisch isolierenden, längs des Umfangs verlaufenden Steg zu einer geschlossenen biegesteifen Einheit schubfest miteinander verbunden sind;
f) der Isolationsweg zwischen den metallischen Rahmenteilen, d.h. ihr kleinster zu den Scheiben vertikaler Abstand beträgt mindestens das 0,8fache der lichten Weite des Innenraumes;
g) die Wärmeausdehnung des Stegs verläuft mindestens annähernd gleich derjenigen der Rahmenteile;
h) der Luftraum zwischen den Deckscheiben ist über eine mit Trockenmittel gefüllte Trocknungskammer mit der Aussenatmosphäre verbunden.
Bekanntlich ist der Wärmewiderstand R einer Material2
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schicht gegeben durch d/X, wobei d die Schichtdi'cke in Wärmeflussrichtung und X die Wärmeleitzahl des Materials sind. Die Beziehung zwischen der Wärmedurchgangszahl k, die vorstehend «k-Wert» benannt ist, und dem Wärmewiderstand lautet:
k ai cu wobei die innere Wärmeübergangszahl ai mit 8 W/m2K und die äussere Wärmeübergangszahl an mit 23 W/m2K eingesetzt werden.
Moderne, heute auf dem Markt erhältliche Wärmeisolationsfenster geschlossener Bauart, d.h. mit einem Innenraum zwischen den Deckscheiben, der so gut wie möglich nach aussen abgedichtet und mit einem schlecht wärmeleitenden Gas, z.B. Argon, gefüllt ist, und bei denen mindestens eine Wand- oder Scheibenoberfläche mit einer selektiv reflektierenden Beschichtung versehen ist, erreichen bei Abständen der Deckscheiben von 12-24 mm Wärmewiderstände von 0,45 bis 0,7 m2K/W, die Flächen-k-Werten von 1,6 bis 1,1 W/m2K entsprechen.
Sollte bei den oben erwähnten Wärmeisolationsfenstern die gestellte Forderung nach Angleichung der Wärmewiderstände zwischen Randbereich und «ungestörter» Fensterfläche erfüllt werden, müssten für die Abstandshalter am Rande der Glasscheiben Materialien mit Wärmeleitzahlen X von 0,025 bis 0,035 W/m2K eingesetzt werden. Derartige Ä,-Werte sind heutzutage aber nur mit sehr leichten Kunstschaumstoffen - z.B. aus Polystryrol oder Polyurethan - oder mit watteähnlichen Füllstoffen zu erreichen. Diesen Stoffen fehlen jedoch die notwendigen Eigenschaften einer Glasrandverbindung bei Wärmeisolationsfenstern geschlossener Bauart - nämlich wasserdampf- und gasdicht, mechanisch tragfähig und beständig gegen Wasser und normale Umwelteinflüsse zu sein.
Als Abstandshalter, die als Minimalanforderung thermisch isolierend und mechanisch tragfähig sein müssen, haben sich Kunststoff-Hartschäume oder dünnwandige Profile, beispielsweise aus Polyvinylchlorid, Polyurethan oder Polyäthylen, sowie poröse mineralische Stoffe, wie z.B. Mineralfaserplatten, bei erhöhten Brandschutzanforderungen bewährt; ihre Wärmeleitzahlen X, bzw. über ihre Breite gemittelte Wärmeleitzahlen bei Profilen mit luft- oder schaumstoffgefüllten Zwischenräumen, betragen mindestens 0,05 W/m2K. Folglich müssen Fenster, deren Flächen-k-Wert gleich oder kleiner 0,8 W/m2K ist und deren Wärmewiderstände im Glas-und Randbereich angeglichen sind,
eine Schichtdicke des Abstandhalters in Wärmeflussrichtung bzw. einen Abstand der Deckscheiben von mindestens 50 mm aufweisen.
Als Folge einer Vergrösserung der Schichtdicke bzw. des Deckscheibenabstandes sind jedoch zum einen das Auftreten von Konvektionsströmungen im Scheibenzwischenraum zu beachten, und zum anderen lassen sich Fenster mit Scheibenabständen, die grösser als ca. 30 mm sind, nicht mehr als abgeschlossene Systeme ausführen, sondern bedürfen eines Druckausgleichs mit der Umgebung. Konvektionsströmungen lassen sich leicht durch zusätzliche Zwischenwände aus Glas oder ausgespannter Kunststoff-Folie unterdrücken. Diese Zwischenwände können dabei vorteilhafterweise ein-oder beidseitig mit der notwendigen wärmestrahlungsref lek-tierenden Beschichtung aus Metallen - wie Silber, Gold oder Kupfer - oder halbleitenden Metalloxiden - z.B. aus zinndotiertem Indiumoxid - versehen sein. Selbstverständlich bleibt es nach wie vor möglich, die dem Fensterinneren zugewandten Flächen der Aussenscheiben gegebenenfalls mit ■ derartigen Beschichtungen zu versehen.
Müssen aufgrund der relativ grossen Deckenscheibenab-stände die Fenster als offene Systeme ausgebildet sein, so ist die Gasfüllung im allgemeinen Luft. Bei offenen Systemen ist jedoch dafür zu sorgen, dass beim «Atmen» des Fensters möglichst kein Staub, keine anderen Schadstoffe, wie z.B. Schwefeldioxid, Schwefelwasserstoff, Stickoxide, Ozon, Ammoniak, Chlorwasserstoff oder andere, und/oder vor allem möglichst wenig Wasserdampf in den Innenraum zwischen den Scheiben gelangen. Ferner ist aus der Praxis bekannt, dass vor allem Wasserdampf nicht nur in offene Systeme eindringt, sondern auch durch Versiegelungs- und Dichtmassen hindurchdiffundiert. Es ist daher weiterhin notwendig, den Innenraum zwischen den Deckscheiben mit der Aussenluft über eine Trockenmittel enthaltende Trocknungskammer in Verbindung zu bringen und darüberhinaus die Abstandshalter luft- und wasserdampfdurchlässig auszubilden.
Das Trockenmittel, das mit Vorteil gleichzeitig als Staubund Schadstoff-Filter ausgebildet sein kann, besteht beispielsweise aus Silicagel und/oder Molekularsieben (Zeoli-then), eventuell mit Zugabe von Aktivkohle. Sind Beschichtungen im Deckscheibeninnenraum vorhanden, so lassen sich diese beispielsweise vor Korrosion verbessert schützen, wenn dem Trockenmittel die korrosionsanfälligen Komponenten der Beschichtungen in feinverteilter Form - z.B. als aus einer Salz-Lösung ausgefälltes, kolloidales Silber oder Kupfer - beigemischt sind.
Der geschilderte, relativ aufwendige Aufbau des neuen Fensters erfordert einen stabilen, wetterfesten Rahmen, der biegesteif sein muss; denn aus der Erfahrung heraus ist bekannt, dass die Durchbiegung der Deckscheiben infolge Windbelastungen höchstens 1/300 der linearen Abmessung in der entsprechenden Richtung sein darf, soll die Bruchgefahr der Scheiben nicht unzulässig erhöht werden. Es ist daher zu fordern, dass der Rahmen aus getrennten metallischen seitlichen Rahmenteilen entsprechend dem Merkmal e) von Anspruch 1 besteht, wobei die Steifigkeitsforderung eine schubfeste Verbindung zwischen den Rahmenteilen und dem Steg erfordert. Die Dauerhaftigkeit der Verbindung wird dadurch gewährleistet, dass die Wärmeausdehnung des Stegs mindestens annähernd gleich derjenigen der metallischen Rahmenteile ist. Die Verbindung von Rahmenteilen und Verbindungssteg oder -Stegen erfolgt dabei vorteilhaft durch Kleben, beispielsweise mit einem Epoxydharz-Kleber.
Soll zwischen den metallenen Rahmenseiten eine «Wärmebrücke» vermieden werden, so muss darüberhinaus der Isolationsweg zwischen ihnen die angegebene Mindestforderung erfüllen.
Die Ausbildung des Rahmens als geschlossene Einheit ist erforderlich, damit ein Eindiffundieren von Feuchtigkeit möglichst weitgehend gehemmt wird, obwohl der Innenraum zwischen den Deckscheiben ein zur Aussenatmosphäre offenes System bildet. Dafür kann der Verbindungssteg zusätzlich eine Wasserdampf-Sperre bilden, wobei diese Dampfsperre beispielsweise aus einer Metallfolie bestehen kann, deren Dicke höchstens 0,1 mm beträgt, und der Steg einen mechanischen Träger für diese Metallfolie bildet. Die Belastung des Trockenmittels in der Trocknungskammer kann vermindert und damit seine Standzeit erhöht werden, wenn der Trocknungskammer zur Aussenatmosphäre hin eine Vorkammer vorgelagert ist; mindestens eine der beiden Kammern wird dabei konstruktiv mit Vorteil in mindestens einen vertikalen Strang der seitlichen Rahmenteile integriert. Ziel der Vorkammer ist es einerseits, die beim «Atmen» des Fensters stattfindende Beladung des Trockenmittels so gering wie möglich zu halten, andererseits aber auch den Diffusionswiderstand für die kontinuierliche Wasserdampfdiffusion möglichst gross zu machen. Dabei hat es
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sich als günstig herausgestellt, wenn die Vorkammer mindestens ein Puffervolumen enthält, das mindestens in Richtung zur Aussenatmosphäre durch diffusionshemmende Öffnungen engen Querschnitts abgeschlossen ist; von einem Puffervolumen kann dabei dann gesprochen werden, wenn das Volumen der Vorkammer pro m2 Scheiben- oder Fensterfläche mindestens 100 cm3 beträgt. Das Puffervolumen hat den Zweck, bei den ralativ hochfrequenten Schwingungen des Fensters infolge von wechselnden Windbelastungen die Verluste an ausgepresster trockener Luft möglichst gering zu halten. Dafür sind auch die diffusionshemmenden Öffnungen vorteilhaft, weil sie einen erhöhten Widerstand beim «Ausatmen» bilden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur gibt im Schnitt durch den Randbereich schematisch ein Beispiel des neuen Fensters wieder.
Das Fenster hat als Deckscheiben zwei Glas- oder Kunststoff Scheiben 1 und 2, die von einem Abstandshalter 3, z.B. aus Hart-PVC im Abstand d gehalten sind. Dieser Abstand beträgt beispielsweise 60 mm; er kann jedoch auch einen beliebigen anderen Wert zwischen 50 und ca. 200 mm annehmen. Wie geschildert, muss der Innenraum 4 zwischen den Deckenscheiben 1 und 2 daher zur Unterdrückung von Konvektionsströmungen durch Zwischenwände 5 unterteilt sein. Diese können z.B. aus biaxial ausgespannten Kunststoff-Folien von 20-100 m Dicke oder aus Glas- oder Kunststoffplatten bestehen, die ein- oder beidseitig mit IR-reflek-tierenden Belägen 11, beispielsweise aus Silber, Gold oder Kupfer, beschichtet sind. Zwischen den Deckenscheiben 1 und 2 und dem Abstandshalter 3 sind elastische Auflagestücke 22 vorgesehen, die aus handelsüblichem Schaumstoff bestehen und das Anliegen der Scheiben 1 und 2 an den Abstandshalter 3 verbessern.
Durch über ihre Länge verteilte Löcher 8 zu jedem der durch die Deckenscheiben 1 und 2 und die Zwischenscheiben 5 gebildeten Teilräume ermöglicht der vom Material her an sich luftdurchlässige Abstandshalter 3 einen Gasaustausch mit dem von einem geschlossenen Rahmen 9 nach aussen begrenzten Randbereich 10.
Der Rahmen 9 besteht innen und aussen aus je einem metallenen Rahmenteil 6,7a und 7b, beispielsweise aus Aluminium oder Messing. Mit Hilfe von zwei nicht metallischen Verbindungsstegen 11 und 12 sind die Rahmenteile 6 und 7b mittels eines Epoxydharz-Klebers zu einer biegesteifen Einheit schubfest zusammengefügt. Als Dampfsperre trägt der äussere Verbindungssteg 12 eine dampfundurchlässige Metallfolie 13, beispielsweise aus CrNi-Stahl, Nickel oder Titan; die Folie 13 ist auf den Steg 12 aufgeklebt. Ihre Dicke beträgt nur einige Hundertstel mm, so dass durch sie zwischen den Rahmenteilen 6 und 7b keine Wärmebrücke entsteht. Wie sich aus der Zeichnung entnehmen lässt, sind die Profile der Rahmenteile 6 und 7b so gestaltet, dass der zwischen ihnen vorhandene Isolationsweg a gleich dem Abstand d der Deckscheiben 1 und 2 ist. Eine weitere Möglichkeit für eine dampfdichte Verbindung zwischen den Rahmenteilen 6 und 7b besteht darin, die Verbindungsstege 11 und 12 selbst aus einem dichten Material, beispielsweise aus Glas, auszuführen und ihre Stoss-Stellen zu den Rahmenteilen 6 und 7b zu versiegeln.
Als mechanischer Schutz für die Metallfolie 13 dient ein ebenfalls z.B. aus PVC bestehendes Profilstück 14, das gleichzeitig bei einem zu öffnenden Flügelfenster die in den nicht gezeigten festen Aussenrahmen einschwenkende Vorderkante bildet. Das Profilstück 14 ist ebenfalls in die Rahmenteile 6 und 7b eingepasst, z.B. eingeklemmt; sein Hohlraum ist mit einem thermisch isolierenden Material 15, z.B. Glaswolle oder Kunststoffschaum, gefüllt.
Von den beiden Verbindungsstegen 11 und 12 und den Rahmenteilen 6 und 7b wird ein Hohlraum begrenzt, der teilweise mit Isoliermaterial 15 gefüllt und teilweise als Trocknungskammer 16 mit Trockenmittel 17 dient. Bohrungen 18, die über eine Teilhöhe der Trocknungskammer 16 im Verbindungssteg 11 verteilt sind, stellen eine «Strömungs»-Ver-bindung zwischen dem Innenraum 4 und der Trocknungskammer 16 her; diese erstreckt sich mit Vorteil über eine vertikale Länge des Fensters. Zu ihr parallel verlaufend ist im Rahmenteil 6 eine luftgefüllte Vorkammer 19 als Puffervolumen vorgesehen, die einerseits auf einer Niveauhöhe eine Bohrung 20 zur Trocknungskammer 16 und andererseits auf einer zweiten, von der ersten möglichst weit entfernten Niveauhöhe nicht gezeigte enge Eintrittsöffnungen zur Atmosphäre besitzt. Zur Erhöhung des Diffusionswiderstandes haben die Eintrittsöffnungen vorteilhafterweise Durchmesser von nur 1 -2 mm. Aus Redundanzgründen (Verstopfungsgefahr) werden jedoch 2 oder mehr Eintrittsöffnungen angebracht.
Die Verbindungsstege 11 und 12 bestehen aus schlecht wärmeleitendem Kunststoff, z.B. Polyamid, oder insbesondere aus einem glasfaserverstärktem Polyester. Ihr Material ist unter dem Gesichtspunkt ausgewählt, dass sein thermischer Ausdehnungskoeffizient so eng wie möglich an denjenigen der Rahmenteile 6,7a und 7b angeglichen ist, die im allgemeinen aus Aluminium oder Messing gefertigt sind.
Wie bereits erwähnt, ist der dem Gebäudeinnern zugewandte Rahmenteil zweiteilig ausgeführt, wobei die Trennung zwischen seinen Unterteilen 7a und 7b, die lösbar miteinander verbunden sind, so erfolgt, dass eine Austauschbarkeit einer oder mehrerer Scheiben 1,2 bzw. 5 besteht, ohne dass die biegesteife schubfeste Einheit des Rahmens 9, gebildet aus den Rahmenteilen 6 und 7b und den Verbindungsstegen 11 und 12, zerstört werden muss. Eine Reparatur des Fensters, beispielsweise bei Glasbruch, wird dadurch entscheidend vereinfacht.
Die Abstützung der Deckenscheiben 1 und 2 sowie der die Zwischenscheiben 5 tragenden Abstandshalter 3 erfolgt im Rahmen 9 in üblicher Weise über diese Elemente zentrierende Beilagen 21, die an den im Glasergewerbe üblichen Stellen angeordnet sind und aus thermisch isolierendem Material, beispielsweise PVC oder Hartholz, bestehen.
Die Abdichtungen zwischen dem Rahmen 9 und den Dek-kenscheiben 1 und 2 besorgen z.B. aus mindestens sehr weitgehend dampfdichtem Butylgummi bestehende Dichtelemente 23, die über eine dauerplastische Klebeverbindung 24, beispielsweise aus Polyisobutyl, mit den Rahmenteilen 6 und 7b und den Deckscheiben 1 und 2 verbunden sind. Nach aussen ist diesen Dichtelementen 23 eine dauerelastische Versiegelung 25, üblicherweise auf Polysulfid- oder Silikonbasis, vorgelagert. Mit der Dichtung 23 und der Versiegelung 25 wird der Innenraum 4 soweit wie möglich gegen das Eindringen von Wasserdampf geschützt, wodurch die Standzeit des Trockenmittels 17 erhöht wird. Für dessen Austausch ist es zweckmässig, wenn die vorzugsweise vertikal verlaufende Trocknungskammer 16 unter eine lösbar verschlossene Entleer- und oben eine ebenfalls lösbar verschlossene Einfüllöffnung für Trockenmittel 17 besitzt, was nicht ausdrücklich dargestellt ist.
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1 Blatt Zeichnungen
Claims (9)
1. Wärmeisolationsfenster, dessen Flächen-k-Wert im von Randeinflüssen ungestörten Bereich höchstens 0,8 W/m2K beträgt, mit mindestens zwei Deckscheiben, die durch mindestens einen längs des Randes umlaufenden Abstandshalter im Abstand voneinander gehalten und von einem äusseren Rahmen umschlossen sind, gekennzeichnet durch die Kombination der Merkmale:
a) die lichte Weite (d) des Innenraums (4) zwischen den Deckscheiben (1,2) beträgt mindestens 50 mm;
b) zwischen den Deckscheiben (1,2) und im Abstand von ihnen ist mindestens eine durchsichtige Zwischenwand (5)
angeordnet;
c) mindestens eine der Scheiben oder Zwischenwand-Ober-flächen des Innenraums (4) ist mit einer selektiv reflektierenden Beschichtung (11) versehen;
d) der Abstandshalter (3) besteht aus einem nicht metallischen Material und ist luftdurchlässig ausgebildet;
e) der Rahmen (9) besteht aus zwei getrennten seitlichen Rahmenteilen (6,7a, 7b) aus Metall, die über mindestens einen thermisch isolierenden, längs des Umfangs verlaufenden Steg (11,12) zu einer geschlossenen biegesteifen Einheit schubfest miteinander verbunden sind;
f) der Isolationsweg zwischen den matallischen Rahmenteilen (6, 7a, 7b), d.h. ihr kleinster zu den Scheiben (1,2) senkrechter Abstand (a) beträgt mindestens das 0,8fache der lichten Weite (d) des Innenraumes;
g) die Wärmeausdehnung des Stegs (11,12) verläuft mindestens annähernd gleich derjenigen der Rahmeriteile (6,7a,
7b);
h) der Luftraum zwischen den Deckscheiben (1,2) ist über eine mit Trockenmittel ( 17) gefüllte Trocknungskammer ( 16) mit der Aussenatmosphäre (A) verbunden.
2. Fenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der Verbindungssteg ( 12) für die metallischen Rahmenteile (6, 7a, 7b) eine Wasserdampfsperre bildet.
3. Fenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass eine Dampfsperre am Verbindungssteg (12) aus einer Metallfolie (13) besteht, deren Dicke höchstens 0,1 mm beträgt.
4. Fenster nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
dass der Steg ( 12) einen mechanischen Träger für die Metallfolie (13) bildet.
5. Fenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Trocknungskammer (16) gleichzeitig als Schadstoffe absorbierendes Staubfilter ausgebildet ist.
6. Fenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der Trocknungskammer (16) zur Aussenatmosphäre (A) hin eine Vorkammer (19) vorgelagert ist.
7. Fenster nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorkammer (19) mindestens ein Puffervolumen enthält, das mindestens in Richtung zur Aussenatmosphäre (A) durch diffusionshemmende Öffnungen abgeschlossen ist.
8. Fenster nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
dass das Puffervolumen der Vorkammer pro m2 Fensterfläche mindestens 100 cm3 beträgt.
9. Fenster nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
dass die Trocknungs- und/oder die Vorkammer (16 und 19) in mindestens einen vertikalen Strang der seitlichen Rahmenteile (6) integriert sind.
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